CN115101729A - 一种用于锂金属电池的复合金属锂负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂金属电池负极材料技术领域,具体提供一种用于锂金属电池的复合金属锂负极材料及其制备方法,所述复合金属锂负极材料由金属锂负极及其表面的杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜构成;其中,杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜具有具有高离子扩散能力、高电阻率以及高杨氏模量的特性,进而使得复合金属锂负极材料能够有效解决现有金属锂负极材料存在的锂枝晶生长与电极体积膨胀等关键性问题,并且能够诱导实现金属锂在SEI/Li界面处的均匀锂沉积;另外,杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜通过亚微米级多面体形貌BiF3分散后滴加在金属锂负极表面原位形成,具有分散性好、形成的人工固态电解质膜稳固、制备简单、成本低廉、合成一致性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于锂金属电池负极材料技术领域,具体提供一种用于锂金属电池的具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极材料及其制备方法。
背景技术
金属锂负极由于其极高的理论比容量(3860mAh/g)和最低的氧化还原电位(-3.04V vs.标准氢电极)被视为负极材料的圣杯,但其商业化应用被金属锂枝晶的无限制生长以及电极材料无限制的体积膨胀所严重抑制。
为了解决上述关键问题,如优化电解质体系、人工固态电解质界面膜改性、锂金属合金化、三维集流体等多种改性方案被提出,并且分别在不同程度上改性了金属锂负极的电化学性能;其中,人工固态电解质界面膜作为一种有效的改性策略,不仅可以有效抑制锂枝晶的垂直生长,还可以缓解锂负极体积膨胀;但是,目前已报道的人工固态电解质界面膜依然面临着锂离子扩散能力低及电子电阻率偏低的弊端,并且难以解决。因此,开发出具有高离子扩散能力、高电阻率以及高杨氏模量的理想人工固态电解质界面膜是实现高性能金属锂负极的关键,具有极高的商业化应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于锂金属电池的具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极材料及其制备方法,所述复合金属锂负极材料由金属锂负极及其表面的杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜构成,其中,杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜具有具有高离子扩散能力、高电阻率以及高杨氏模量的特性,进而使得复合金属锂负极材料能够有效解决现有金属锂负极材料存在的锂枝晶生长与电极体积膨胀等关键性问题,并且能够诱导实现金属锂在SEI/Li界面处的均匀锂沉积。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种用于锂金属电池的复合金属锂负极材料,由金属锂负极及其表面的人工固态电解质界面膜构成,其特征在于,所述人工固态电解质界面膜为杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜。
进一步的,所述杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜由亚微米多面体BiF3与金属锂负极自发反应生成。
进一步的,所述杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的厚度为5μm~50μm。
上述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将铋源、氟源、溶剂混合,得到混合溶液;
S2:将S1所得到的混合溶液通过水热反应,得到亚微米多面体BiF3;
S3:在惰性气氛下的手套箱中,将S2所得到的亚微米多面体BiF3分散在溶剂中,得到分散液;
S4:在惰性气氛下的手套箱中,将S3所得到的分散液滴加到金属锂负极表面并烘干,得到具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极。
进一步的,步骤S1中,溶剂为无水乙醇、乙二醇、一缩二乙二醇中的一种或多种的混合物,铋源为硝酸铋、硫酸铋中的一种或多种的混合物,氟源为氟化铵、四氟硼酸铵中的一种或多种的混合物。
进一步的,步骤S1中,混合溶液配制过程为:将0.5g~5g铋源与0.1g~3g氟源溶于50mL溶剂中进行超声溶解,再于室温下静置得到混合液体。
进一步的,步骤S2中,水热反应的温度为120℃~180℃、时间为1~5h。
进一步的,步骤S3中,溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯类、四氢呋喃中的一种或者多种的混合物,分散液的浓度为20mM~100mM(mM为毫摩尔/升)。
进一步的,步骤S4中,滴加量为50uL~200uL,烘干温度为100℃~200℃,需要说明的是:烘干时间并无特殊限制,直至分散液在金属锂负极表面完全烘干为止。
基于上述技术方案,本发明的有益效果在于:
1、本发明中用于锂金属电池的具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜能够提供一个高的锂离子扩散能力、高的电阻率以及高的杨氏模量,并有效的诱导金属锂在SEI/Li界面的均匀沉积且无锂枝晶垂直生长,显著促进了金属锂负极的循环稳定性。更为具体的讲:杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜中的LiF提高了界面膜的电阻率,能够有效的避免电子击穿人工固态电解质膜从而产生不可控沉积;杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜中的Li3Bi提高了界面膜的锂离子扩散能力并稳定了界面膜,能够有效诱导金属锂的均匀沉积;杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜具有较高的杨氏模量,使其能够承受循环过程中巨大的体积膨胀以及抑制锂枝晶的垂直生长。最终,本发明中杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜实现了金属锂在10mA/cm2高电流密度以及2mAh/cm2面容量下的稳定循环,在金属锂负极保护的研究方面提供了一个崭新的视角;进而,通过将LiFePO4作为正极和将杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂作为负极成功的得到了一款高性能的锂金属二次电池。
2、本发明中用于锂金属电池的杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜制备工艺简单,通过水热反应制备得到具有亚微米级多面体形貌的BiF3,并将其分散后滴加在金属锂负极表面,再于烘干过程中通过与金属锂负极自发反应原位形成杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜,本质区别于现有技术中类似界面膜的制备工艺,并且,本发明具有分散性好、形成的杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质膜稳固、制备简单、成本低廉、合成一致性好等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1中所合成的亚微米多面体BiF3的SEM图。
图2为本发明实施例1中所合成的具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜复合金属锂负极的截面SEM图。
图3为本发明实施例1中所合成的具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜复合金属锂负极的X射线衍射图谱。
图4为本发明实施例1中所组装的锂/锂对称电池的循环伏安曲线图。
图5为本发明实施例1中所组装的锂/锂对称电池的循环性能图。
图6为本发明实施例1中所组装的锂/锂对称电池在大电流下的循环性能图。
图7为本发明实施例2中所组装的复合金属锂负极/磷酸铁锂正极电池的循环性能图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与技术效果更加清楚完整,下面结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种用于锂金属电池的复合金属锂负极材料,由金属锂负极及其表面的杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜构成,其制备过程具体为:
S1:将4.85的五水合硝酸铋与0.786g四氟硼酸铵溶于溶剂中进行超声溶解,再于室温下静置得到混合液体;其中,溶剂采用25mL无水乙醇与25mL乙二醇的混合液;
S2:将S1所得到的混合溶液在150℃下水热反应3h,并将产物洗涤、干燥,得到亚微米多面体BiF3;
S3:在惰性气氛下的不锈钢手套箱中,将S2所得到的亚微米多面体BiF3分散在碳酸二甲酯溶剂中形成分散液,分散液的浓度为80mM;
S4:在惰性气氛下的不锈钢手套箱中,将S3所得到的分散液滴加到金属锂负极表面并烘干,得到具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极;其中,滴加量为100uL,烘干温度为100℃、时间为3分钟。
基于上述复合金属锂负极材料,本实施例还提供一种高能量密度锂金属二次电池,采用LiFePO4作为正极材料,采用具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极材料,通过以下步骤制备得到:
S5:在惰性气氛下的不锈钢手套箱中,将LiFePO4正极材料与导电剂、粘结剂按照质量比为8~10:1~2:1进行研磨混合,涂覆于铝箔集流体上制成正极极片;其中,导电剂为乙炔黑、导电炭黑、Super P中的一种或多种的混合物,粘结剂为聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或多种的混合物,研磨时间为1~5分钟;
S6:在惰性气氛下的不锈钢手套箱中,将S5所得到的正极极片在80~100℃下烘干后裁切制得电极片,将正极极片与所制备的负极极片匹配组装成扣式锂金属二次电池;其中,电解液由1M LiTFSI与DOL/DME(v:v=1:1)混合配置,用PP隔膜在水、氧含量均低于1ppm的Ar气气氛不锈钢手套箱中组装完成。
同时,本实施例还提供对比例1:未改性的金属锂负极作为负极材料,在本实施例相同工艺下组装得到锂-锂对称电池。
对本实施例中亚微米多面体BiF3进行SEM测试,结果如图1所示,由图可见,所制备的BiF3显示出多面体的形貌,尺寸为200~500nm,为金属锂负极提供了更多的活性位点和更好的分散性。
对本实施例中Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜进行SEM测试,结果如图2所示,由图可见,所制备的Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜致密且均匀。
对本实施例中Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜进行XRD分析,结果如图3所示,由图可见,XRD衍射曲线显示出所制备得到BiF3修饰的金属锂负极中含有Bi、Li3Bi与LiF的特征峰,表明经过BiF3处理后的金属锂负极经过两步的自发反应(3Li+BiF3→Bi+3LiF,Li+Bi→Li3Bi)后形成了Bi、Li3Bi与LiF;Li3Bi的存在提高了界面膜的锂离子扩散能力并稳定了界面膜,能够有效诱导金属锂的均匀沉积;LiF提高了界面膜的电阻率,能够有效的避免电子击穿人工固态电解质膜从而产生不可控沉积;与此同时,Li3Bi与LiF共同提升了人工固态电解质界面膜的机械强度。
对本实施例中所组装的锂/锂对称电池进行循环伏安测试,其循环伏安曲线如图4所示,由图可见,具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极在0.7V和-0.7V处显示出宽峰,对应可逆反应:3Li+Bi→Li3Bi,显而易见的证明了具有电化学活性的Bi能够通过合金反应可逆地储存Li并形成Li3Bi合金。
对本实施例和对比例1中所组装的锂/锂对称电池进行循环性能测试,其结果如图5所示,由图可见,在1mA/cm2的电流密度与1mAh/cm2的面容量下,具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极能够稳定循环且过电势较低,随着循环深度的加深,过电势没有明显增大的趋势;与此同时,未改性的金属锂电极的过电势明显高于前者且极化逐渐明显增大。
对本实施例和对比例1中所组装的锂/锂对称电池进行在大电流下的循环性能测试,其结果如图6所示,由图可见,在10mA/cm2的电流密度与2mAh/cm2的面容量下,具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极能够稳定循环超过2000圈,随着循环深度的加深,过电势没有明显增大的趋势;与此同时,未改性的金属锂电极随着循环深度的加深,过电势逐渐加大。
综上可见,本发明提供的具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极相比于未改性的金属锂负极显示出更优异的界面稳定性能,Li3Bi作为亲锂合金能够加快锂离子在界面的输运,LiF能够提高界面的电子绝缘性能。
实施例2
本实施例提供一种高能量密度锂金属二次电池,采用LiFePO4作为正极材料,采用实施例1中具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极材料;其与实施例1的唯一区别在于:实施例1的两侧电极均为复合金属锂负极材料,本实施例则一侧采用LiFePO4作为正极材料,负极材料则为复合金属锂负极材料,其中,电解液由1M LiPF6与EC/DMC(v:v=1:1)混合配置;同时,本发明还提供一个对比例2,其与本实施例的唯一区别在于:对比例2中的负极材料为未改性的金属锂负极。
对本实施例和对比例2中所组装的锂金属二次电池进行循环性能测试,其结果如图7所示,由图可见,在1C的电流密度下,Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜修饰的复合金属锂负极对应的全电池在500圈循环后依然能够释放出143.0mAh/g的比容量,其容量保持率为93.0%;需要注意的是,这种轻微的容量衰减主要是正极材料在循环过程中的结构降解;因此,Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜修饰的复合金属锂负极拥有良好的循环稳定性。与之相反,未改性的金属锂对应的全电池在500圈的循环后,其放电能力急剧下降,其容量保持率仅为50.0%;需要注意的是,这种急剧的容量衰减主要是负极侧在循环过程中的持续副反应和锂枝晶生长所导致,是完全不可逆的。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。
Claims (9)
1.一种用于锂金属电池的复合金属锂负极材料,由金属锂负极及其表面的人工固态电解质界面膜构成,其特征在于,所述人工固态电解质界面膜为杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜。
2.按权利要求1所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料,其特征在于,所述杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜由亚微米多面体BiF3与金属锂负极自发反应生成。
3.按权利要求1所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料,其特征在于,所述杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的厚度为5μm~50μm。
4.按权利要求1所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将铋源、氟源、溶剂混合,得到混合溶液;
S2:将S1所得到的混合溶液通过水热反应,得到亚微米多面体BiF3;
S3:在惰性气氛下的手套箱中,将S2所得到的亚微米多面体BiF3分散在溶剂中,得到分散液;
S4:在惰性气氛下的手套箱中,将S3所得到的分散液滴加到金属锂负极表面并烘干,得到具有杂化Li3Bi/LiF人工固态电解质界面膜的复合金属锂负极。
5.按权利要求4所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S1中,溶剂为无水乙醇、乙二醇、一缩二乙二醇中的一种或多种的混合物,铋源为硝酸铋、硫酸铋中的一种或多种的混合物,氟源为氟化铵、四氟硼酸铵中的一种或多种的混合物。
6.按权利要求4所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S1中,混合溶液配制过程为:将0.5g~5g铋源与0.1g~3g氟源溶于50mL溶剂中进行超声溶解,再于室温下静置得到混合液体。
7.按权利要求4所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S2中,水热反应的温度为120℃~180℃、时间为1~5h。
8.按权利要求4所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S3中,溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯类、四氢呋喃中的一种或者多种的混合物,分散液的浓度为20mM~100mM。
9.按权利要求4所述用于锂金属电池的复合金属锂负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中,滴加量为50uL~200uL,烘干温度为100℃~200℃。
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